模具是产品(如汽车、摩托车、家电等)更新换代的重要工艺装音,其制造质量与周期直接影响到新产品的质量与上市时间。因此,模具的研制与开发也成了开发新产品的重要环节。为了高质量、短周期、低成本地开发出新产品换型所需的模具模具企业广泛地采用了以CAD/CAE/CAM技术为代表的先进制造技术其中近几年来迅猛发展的高速度、高精度数控加工技术倍受模具业界的关注。本文将详细介绍高速度、高精度数控加工技术在模具制造上的应用,并以Space-ECAD/CAM软件为例,介绍满足模具高速度、高精度数控加工的CAM功能。

  高速加工的概念与特点高速数控加工是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效率、高精度数控加工方式。传统模式的数控加工常采用加大切削深度的方法来提高加工效率,而这种加工方法往往受机床刚性、刀具强度和刚度等的制约,而且对模具的加工精度也影响很大因此传统模式下的数控加工的效率会受到许多限制。高性能、高转速数工高速化提供了技术保障。高速加工是以很高的主轴转速(如20 000r/min)、快速进给(如10m/min)来达到提高加工效率的目的。高速加工的效率不仅仅体现在数控加工本身加工效率的提高,而关键在于提高了整个制模过程的加工效率。原因在于采用高速加工技术,可以极大地提高模具表面的加工质量。如果用10mm球头刀,切削间距为0行走刀,留在工件表面的理论残留高度仅为0.001mm。在这种情况下,如果是覆盖件模具就不需要打磨,直接进行调试;如果是塑料模,除数控加工不到位的凹圆角需电火花加工外,型腔的型面部分稍做抛光处理,就可以进行试模工作,这样就极大地减少了钳工的修磨、抛光时间。

  高速加工的主要优点是:

  既可以在单一工序中切除大量的多余材料,又可以达到很高的加工质量,从而大大减少了后续精加工所花费的时间,这样就大大缩短了整个模具制造周期。
模具高速度、高精度数控加工与CAM技术图

  高速加工具有如下特点:

  ①主轴转速高就目前技术而言,主轴转速超过10的加工就可以称为高速加工。但随着高速加工技术的迅猛发展,各机床厂已开发出性能更好的数控机床,如曰本新泻铁工所制造的UHS10数控机床主轴最高转速为100r/min.

  ②切削进给速度高对加工铸铁类或钢类模具而言,切削进给速度就可认为是模具的高速加工。最近开发的数控机床的切削进给速度远远超过5m/min这个值。如德国的XHC240加工中心最大进给速度高速加工的切削深度一般在0. 5mm以下。小的切削深度对减少加工过程的切削力、刀具变形与磨损均有益处,2mm以下的切削间距。小的切削间距可减少刀具在切削加工过程中的切削力、变形和磨损,同时还可以减少机床的热变形。

  ● 影响模具高速度、高质量加工的因素影响模具高速度、高质量加工的因素很多,但汇总起来主要有如下几个方面:产品数学模型、数控机床、加工刀具与编程方法

  产品数学模型高精度、高质量的产品数学模型是实施模具高速度、高质量加工的前提和必要条件。产品建模误差主要来源于数据输入的随机误差,曲线、曲面的逼近误差,曲线、曲面光顺处理公差以及构造曲面方法不当而产生的误差,尤其是因曲面造型方法不当而产生的误差对模具加工质量影响最大。

  ●数控机床数控机床性能直接影响被加工零件的质量和效率。影响模具加工质量和效率的与机床有关的参数有:机床的定位精度和重复定位精度、主轴转速和切削进给速度、机床的结构与刚性、温度补偿功能及C7C控制系统的性能等。

  ● 加工刀具加工刀具对模具高速度、高精度加工的影响仅次于数控机床。影响模具加工质量和效率的与加工刀具有关的参数有:刀具的几何形状与尺寸精度,刀具的动平衡性能刀具的变形与磨损等。

  ● 数控编程合理地设计模具的数控加工流程及设定各工序的加工工艺参数是实施模具高速度、高精度加工的前提和保障,也是对模具加工质量和效率影响最大的能动因素。数控加工工艺内容包括:完成零件数控加工的工序数,工序内容与加工顺序,每道工序的刀具使用情况及加工工艺参数选择等内容。

  工件的找正、装夹与实际加工工件的找正、装夹与实际加工也对模具的高速度、高精度加工产生很大的影响,如果找正有误差,这个误差就会直接反映到被加工零件上;如果工件的定位、装夹不当,零件就会在加工过程中产生较大的变形、移位和振动,而影响被加工零件的加工精度。高速度、高精度加工的技术要求对产品数学模型的技术要求,产品数学模型必须是一个完善的、统一的数学模型不能有遗漏的曲面或多余的曲面存在。

  ● 产品数学模型不能有数据错误和曲面形状错误存在。

  ● 产品数学模型必须满足严密的几何拓扑关系,不允许出现曲面重叠、未修剪曲面、曲面间缝隙过大、曲面间不满足切矢连续或曲率连续等几何拓扑错误。

  ● 产品数学模型应是光滑连续的顺畅模型。

  ● 产品数学模型中的曲面应满足参数对应性原理和曲面光顺的要求。
模具高速度、高精度数控加工与CAM技术图

  对数控机床的技术要求机床性能数控机床必须具音高性能、高精度的特性。具体参数是机床定位精度和重复定位精度、几何位置精度、主轴转速、进给速度等。机床结构机床必须具有足够的强度、刚度和使用稳定性,具体包括:机床结构形式、导轨形式、主轴结构、轴承、冷却方式、防热变形措施和采用闭环控制等

  机床控制系统应具音能否根据被加工零件的形状特点(曲率分布情况)自动调整切削进给速度,即所谓的“向前看”功能;机床的热变形补偿功能;是否支持NURBS插补功能是否支持高速度传递数控加工数据的能力(如能否进行以太网连接)等。4.3对加工刀具的技术要求8.具有很高的几何形状、尺寸精度数控加工所需的刀具路径是通过在数控编程汽车技术表1汽车覆盖件模具数控加工工艺参数工序名采用的刀具主轴转速/c表2塑料模具数控加工工艺参数工序名采用的刀具主轴转速/c 0000.010.2-0.50.1-0.30CMA软件必须能生成光滑、平顺、稳定的高质量刀具运动轨迹,必须具有丰富而实用的刀具运动轨迹生成与编辑功能。下面以Space-ECAD/CAM系统为例介绍CAM的功能。高速度、高精度模具数控加工对CAM功能的要求bookmark4为了实现模具的高速度、高精度数控加工,时所选择的刀具形状和尺寸计算出来的。

  因此,实际加工所采用的刀具必须与编程时所选择的刀具在形状上和尺寸上一致,否则,这些误差就会直接反映到被加工工件上,而影响模具的加工精度。具有良好的动平衡性能由于高速加工是在主轴转速10000r/min以上的条件下进行的,因此要求刀具有良好的动平衡性能。用于高速加工的刀具一般应进行动平衡试验。

  对编程的技术要求合理确定数控加工工艺流程模具数控加工一般由粗加工、半精加工、清根加工、精加工四道工序完成,对高质量的模具表面常需进行二次半精加工。模具粗加工的目的是以最快的速度清除毛坯表面的多余材料,一般采用大直径刀具、大切削间距、大公差值进行切削加工。粗加工强调加工的高效率,模具半精加工的目的,以较快的速度清除模具型面的多余材料,为精加工模具创造条件。一般采用较大直径刀具,合理切削间距和公差值进行切削加工。半精加工强调加工的效率和质量的统一性。半精加工后的模具表面应是较光滑的、余量较均匀的。模具清根加工是指清除被加工零件凹向交线处的多余材料,为模具精加工高速化提供条件。如果零件没有经过清根加工直接进行精加工处理,就难以实现模具精加工的高速度。这是因为模具表面经过半精加工后,在曲率半径大于刀具半径的型面处留下的加工余量虽然是均匀的,但在被加工零件的凹向交线处曲率半径小于刀具半径的型面的加工余量比其它部位的加工余量要大得多,在模具精加工前,必须把这部分材料先去掉。否则在进行精加工过程中,当刀具经过这些区域时,刀具所承受的切削力会突然增大而损坏刀具。从分析中可以看出,清根加工所需的刀具半径应小于或等于精加工时所采用的刀具半径。经过清根加工后,再进行精加工,当刀具走到工件凹向交线处时,刀具处于不参与切削的悬空状态,这样就大大改善了刀具在工件凹向交线处的受力状况,为模具精加工的高速度、高精度提供了良好的切削条件。最后是模具的精加工,精加工一般采用小直径刀具、小切削间距、小公差值进行切削加工。

  合理确定数控加工工艺参数数控加工工艺参数包括:加工刀具、加工公差、切削深度、切削间距、主轴转速、进给速度、加工余量等。

  刀具运动轨迹生成方法Space-ECAD/CAM系统为用户提供了20余种刀具运动轨迹的生成方法,主要包括:等高线粗、精加工,平行走刀粗、精加工,铸件粗加工,直捣式粗加工,摆线式粗加工,沿面等距精加工,平坦区域精加工,残留量加工,清根加工,轮廓加工,区域加工,自由形状加工,投影加工,流动型加工等加工方式。
模具高速度、高精度数控加工与CAM技术图

  ● 等高线粗、精加工等高线粗加工方式是指:

  按编程时所指定的切削深度生成一组Z平面,每个Z平面对毛坯和产品模型进行剖切,从而确定Z平面内的加工区域,然后在加工区域内按切削间距生成刀具运动轨迹的方法,该加工方式所生成刀具运动轨迹是一组等高曲线,这是一种塑料模具粗加工的最常用方法。为了满足高速度加工的要求,该加工方有许多控制项:如加工方式有顺铣加工和逆铣加工;走刀方式有单方向平行走刀、往复式平行走刀和螺旋式走刀进、退刀方式有直接进、退刀,沿矢量方向进、退刀和螺旋式进、退刀;胯步控制方式有直接胯步方式、圆弧胯步方式和S型曲线胯步方式。可以在刀具运动轨迹转穹处自动加入圆角,满足高速加工要求;对采用镶片式圆角刀的数控加工而言,为防止未加工区域的产生,对刀具运动轨迹进行优化处理,以生成最优化刀具运动轨迹。所示为等高线粗加工刀具运动轨迹。

  ● 等高线粗加工刀具运动轨迹等高线精加工方式是指:

  按编程时所指定的切削深度生成一组Z平面,每个Z平面对产品模型进行剖切而生成刀具运动轨迹。这是一种塑料模具精加工的最常用方法。它除了具有等高线粗加工方式的特性外,加了一个控制刀具运动轨迹质量的选择项,该选择项能根据被加工零件的形状特征,在刀具运动轨迹的稀疏区域内,在与主刀具运动轨迹垂直方向自动加入一些子轨迹,并且把轨迹间的交叉部分去掉,这样处理既能保证加工精度,又能保证加工效率。所示为等高线精加工刀具运动轨迹。

  ● 平行走刀粗、精加工平行走刀粗加工方式是指按编程时所指:

  切削深度生成一组Z平面,每一个Z平面对毛坯和产品模型进行剖切,从而确定Z平面内的加工区域,然后在加工区域内按切削间距生成在同一平行平面内的刀具运动轨迹。这是一种汽车覆盖件模具粗加工的常用方法。该刀具运动轨迹的控制方式与等高线粗加工类似。所示为平行走刀粗加工的刀具运动轨迹。

  ● 平行走刀粗加工刀具运动轨迹平行走刀精加工方式是指:

  按编程时所指定的切削间距和切削方向,生成一组平行平面,每一个平行平面对产品模型进行剖切而生成刀具运动轨迹。这是一种汽车覆盖件模具精加工的常用方法。该刀具运动轨迹的控制方式与等高线精加工类似。所示为平行走刀精加工的刀具运动轨迹。

  ● 平行走刀精加工刀具运动轨迹沿面等距精加工沿面等距精加工是指根据编程时是指:

  偏距值,沿被加工零件表面等距偏移所获得的刀具运动轨迹。这是一种用于各类模具精加工的常用方法。

  残留量加工残留量加工是指对前道工序留下的未加工区域进行局部加工的一种加工方式。Space-ECAD/ CAM系统提供了三种残留量加工方式。清根加工是指去掉产品模型内凹向交线处剩余材料的一种加工方式。

  清根加工有两种:

  一是笔式清根加工,它是指刀具沿着两曲面的凹向交线方向,并与两曲面卩双切而生成的刀具运动轨迹;

  二是区域清根加工,它是指根据前道工序指定的刀具半径和本工序所指定的刀具半径,确定加工区域,并按切削间距生成刀具运动轨迹的方法。所示为区域清根加工的刀具运动轨迹。

  ● 直捣式粗加工直捣式粗加工是指:

  刀具沿着刀轴方向作往复直线运动而去除毛坯内部材料的一种高效率粗加工方式,它特别适合于大型型腔类模具的粗加工,要求机床和刀具有足够的强度和刚度。这种加工方式已在欧美、曰本等模具工业发达的国家广泛使用。

  ● 摆线式粗加工摆线式粗加工是指:

  一种采用圆弧切入、直线运动、圆弧退出的加工方式,这种加工方式能确保刀具承受一定的载荷,延长刀具的使用寿命。它特别适合于中间高四周低类零件的粗加工。
模具高速度、高精度数控加工与CAM技术图

  ● 投影加工投影加工是指:

  先在二维平面内生成刀具运动轨迹路径,然后把该轨迹往被加工表面上投影所生成加工所需的刀具运动轨迹的加工方式。这种加工方式应用比较灵活,如果使用方法得当,就能生成各种加工所需的刀具运动轨迹。

  流动型加工流动型加工方式分为:单曲线控制的流动型加工和双曲线控制的流动型加工。

  单曲线控制的流动型加工方式又分为偏移型加工方式和法向型加工方式。偏移型加工方式是指以某条曲线(一般定义为二维平面曲线)为基准,给定偏移距离然后生成一系列偏移曲线最后把这些曲线往被加工表面上投影所获得的刀具运动轨迹的一种加工方式。这种加工方式特别适合于构成零件的主体曲面为旋转面类零件的粗、精加工。法向型加工方式是指以某条曲线(一般定义为二维平面曲线)为基准,给定偏移距离,然后生成一系列法向偏移直线,最后把这些直线往被加工表面上投影所获得的刀具运动轨迹的一种加工方式。

  双曲线控制的流动型加工方式可分为插值型加工方式和直纹线型加工方式。插值型加工方式是指以选择的二条曲线为基准曲线给定切削间距,然后生成一系列中间插值曲线,最后把这些曲线往被加工曲面上投影所获得的刀具运动轨迹的一种加工方式。直纹线型加工方式是指以选择的二条曲线为基准曲线给定切削间距然后生成以这两条曲线所构成直纹面的直纹线,最后把这些直纹线往被加工曲面上投影所获得的刀具运动轨迹的一种加工方式。

  总结

  语高速度、高精度数控加工是模具制造的高新技术,是实现模具制造高质量、短周期必不可少的加工技术。随着数控机床性能的不断提高与完善,系统发生故障其自诊断电路可存贮并显示故障代码。修理时可提取故障代码按代码进行检查与维修。若无故障代码但有故障征兆则可按故障征兆进行检修若故障代码时有时无l可按间断故障进行检修。